無線電力傳送系統以及無線電力傳送裝置的製作方法
2023-10-07 02:37:54 1
專利名稱：無線電力傳送系統以及無線電力傳送裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用電磁波以無線方式傳送電力的系統、裝置及其傳送方法，是特別適合於與輻射場相比靜電場以及感應場在電磁場的能量相互作用中起主要作用的菲涅耳區域中的電力傳送的無線電力傳送系統、無線電力傳送裝置以及電力傳送方法，特別地涉及使用ID有選擇地從多個接收機中向規定的接收機傳送電力的ID控制一對多無線電力傳送系統、以及ID控制一對多無線電力傳送裝置，進而還涉及無線供給電力收費系統。
背景技術：
以往，作為通過無線方式進行電力傳送的系統，有無源RFID，其使用從發送機發射的電磁波的輻射場分量，接收機捕捉該電磁場而設為交流電流，並通過整流得到可以作為電源使用的電力(例如，參照非專利文獻1)。非專利文獻1 :RFID >、> F 、)夕第 2 版(Klaus Finkenzellar 著，乂 7 卜工學研究所訳，日刊工業新聞社刊，2004年5月，pp. 43-45)伴隨無線技術的進步，已經可以將許多信息量承載在電磁波上並以無線方式傳送。與此相伴，信息設備通過儘可能地去掉作為信息的發送接收介質的有線，從而克服由接線導致的方便性降低的問題。但是，使信息設備工作用的電力供給的主流還是有線，許多信息設備還沒有達到脫離有線耦合的設置以及在移動中事實上沒有限制的狀況。在要傳送的電力小的情況下，採用無線方式的電力傳送已經一部分實用化。其代表性的案例被稱為「無源RFID」，使用從發送機發射的電磁波的輻射場分量，接收機捕捉該電磁場而設為交流電流，並通過整流得到可以作為電源使用的電力。有關該技術在非專利文獻1中有敘述。RFID的接收機使用的電力為線狀幾微瓦左右，與作為運轉一般的民用設備所需要的電力的幾瓦至幾十瓦量級相比小很多。從發送機向空間發出的電磁場的能量分布按照隨著離開該發出點的距離而衰減的方式，由靜電場、感應場、輻射場的三者構成，分別按照距離的三次方、二次方、一次方衰減。在電力發射點最近的各個場的能量按照靜電場、感應場、輻射場的順序減少很多。與在以往技術的RFID中使用的無線電力傳送有關的電磁場主要為輻射場或者感應場，能夠運轉民用設備的從幾瓦到幾十瓦級的電力傳送還沒有實現。在發送機和接收機沒有電接點但物理上接觸的情況下或者極接近的情況下，雖然可以通過靜電場進行幾瓦級的電力傳送， 但在實際使用上因遠離而並不發送電力，以無線方式傳送電力帶來的、與信息設備的設置以及移動有關的方便性提高並不充分。例如，如果考慮包含家庭內或者辦公室內的圖像設備的信息設備的實際的使用形態，則要求代替在具有1米左右的距離的遠程的有線電源線的電力傳送。為了在這種距離下傳送電力，有效的方法是使用電磁場的遠程傳送能力高的區域，和靈活使用電磁場具有的靜磁場、感應場、輻射場這3個分量的全部。在這種狀況下，電力的發送部和電力的接收部經由靜電場以及感應場形成的分場所地局部存在的無功能量而相互耦合，所以電力傳送效率受到電氣電路上看到的發送部和接收部的內部阻抗變化、以及將發送部和接收部作為二端子對電路網考慮時的相互的阻抗變化的很大影響。在此， 所謂「無功能量」是指基於電抗分量(阻抗分量的虛部)的作用而形成的能量，該電抗分量構成將存在於發送部與接收部之間的空間和發送天線以及接收天線作為電力傳送路考慮時的該傳送路的阻抗。換句話說，為了良好地保持從發送部向接收部的電力傳送效率，根據發送部和接收部的相互位置關係的變化以及圍繞它們的周圍環境的變化，使上述的內部阻抗以及互阻抗動態變化是有效的。在實際的基於無線方式的電力傳送系統中，從方便性的觀點出發，並且從消減形成該電力傳送系統的設備的觀點出發，希望針對一個發送部有多個接收部的形態。可以進行基於無線方式的傳送的介質在現實中是電磁波且其頻率資源有限，所以為了實現其他通信系統以及包含電力傳送的無線應用系統的共存，希望通過一個或者數量儘可能少的頻率進行向多個接收部的電力傳送。當使用分場所地局部存在的無功能量進行這樣的使用一個頻率的一對多的電力傳送的情況下，因為無功能量具有局部性，所以一個發送機和多個接收機形成通過該無功能量而形成緊密的相互耦合狀態。即，一個接收機的內部阻抗的變化不僅對發送機而且對其他的接收機也造成影響。該影響由於無功能量的局部性而在具有光速延遲的那樣的當前時刻同時發生。在不使用無功能量的電力的傳送中，發送機和多個接收機在電氣上不緊密耦合，事實上不需要考慮一個接收機的內部阻抗的變化對發送機以及其他接收機的影響。 在相應的介入有無功能量的一對多的電力傳送中，針對使作為包含全部的發送機和接收機的系統整體的電力傳送效率最大的這一目的，僅僅將關於一組發送機和接收機之間的電力傳送效率設為最大未必能夠實現該目的。這是因為，將關於某一組的發送機和接收機之間的電力傳送設為最大的該發送機的內部阻抗和該接收機的內部阻抗的組合，在將該發送機和其他的接收機之間的電力傳送效率設為最大的內部阻抗的組合中未必與該發送機的內部阻抗一致的緣故。換句話說，在使用一對多的同一頻率的電力傳送中，在實現作為電力傳送系統整體的最大電力傳送效率的狀態下，未必各個發送機和接收機的組合中的電力傳送的效率最大。因此，為了將系統整體的電力傳送效率設為最大，直接利用局部存在的無功能量與各接收機緊密耦合的發送機需要掌握與全部接收機的內部阻抗有關的信息和與各個該接收機之間的電力傳送量，並控制發送機的內部阻抗和各接收機的內部阻抗，以使系統整體的電力傳送效率為最大。
發明內容
本發明的目的在於提供一種手段，電力的發送部和接收部經由局部存在的無功能量而相互耦合，使用電磁場所具有的靜電場、感應場、輻射場的全部場，利用一個或者數量儘可能少的頻率，與發送部和接收部的相互位置關係的變化以及包圍它們的周圍環境的變化相適應地、從發送部向多個接收部高效率地傳送電力。例舉本發明的有代表性的一例如下。S卩，本發明的無線電力傳送系統是包含一個發送機和多個接收機的無線電力傳送系統，其特徵在於上述發送機具備天線、發送部可變電抗電路、發送部控制電路、發送部調製器以及載波發生電路，上述接收機的每一個具備天線、接收部可變電抗電路、接收部解調器、接收部控制電路、整流電路以及ID存儲裝置，對上述接收機的每一個分別賦予固有的ID，上述發送機通過上述發送部控制電路控制上述發送部可變電抗電路，發送上述ID 和控制命令，上述接收機的每一個接收從上述發送機發送的上述ID和上述控制命令，接收到的ID和存儲在上述ID存儲裝置中的接收機固有ID —致的接收機通過上述接收部控制電路控制上述接收部可變電抗電路。另外，本發明的無線電力傳送裝置是用於如下無線電力傳送系統的接收機的無線電力傳送裝置，該無線電力傳送系統包含一個發送機和多個接收機，上述發送機具備天線、發送部可變電抗電路、發送部控制電路、發送部調製器以及載波發生電路，上述接收機的每一個具備天線、接收部可變電抗電路、接收部解調器、接收部控制電路、整流電路以及 ID存儲裝置，對上述接收機的每一個分別賦予固有的ID，上述發送機通過上述發送部控制電路控制上述發送部可變電抗電路，發送上述ID和控制命令，上述接收機的每一個接收從上述發送機發送的上述ID和上述控制命令，接收到的ID和存儲在上述ID存儲裝置中的接收機固有ID —致的接收機通過上述接收部控制電路控制上述接收部可變電抗電路，該無線電力傳送裝置的特徵在於具備上述天線、上述接收部可變電抗電路、上述接收部解調器、上述接收部控制電路、上述整流電路以及上述ID存儲裝置，並且還具備調製電路，上述調製電路由半導體開關構成，以後向散射方式對上述發送機進行通信。根據本發明，能夠實現一個發送機使用一個頻率對多個接收機同時進行高效率的電力傳送的系統。
圖1是本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的結構圖。圖2是構成本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的發送機的電力傳送控制流程圖。圖3是構成本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的接收機的電力傳送控制流程圖。圖4是說明本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的控制時序的發送機控制的流程圖。圖5是說明本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的控制時序的接收機控制的流程圖。圖6是本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的結構圖。圖7是說明本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的控制時序的接收機狀態轉移表推移圖。圖8a是本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的每個時隙的頻譜，示出Rl以及Tl情況。圖8b是本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的每個時隙頻譜，示出R3以及 T3情況。圖9是本發明的具有多個發送機的ID控制一對多無線電力傳送系統的結構圖。圖10是本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的結構圖。圖Ila是表示本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的一結構例的圖。
圖lib是表示圖Ila的系統結構的等價電路的圖。圖12a是表示本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的一結構例的圖。圖12b是本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的等價電路。圖12c是表示圖12a的系統結構的等價電路的圖。圖13是構成本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的天線的構造。圖14是構成本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的天線的構造。圖15是構成本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的天線的構造。圖16是構成本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的天線的構造。圖17是構成本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的發送接收天線的互阻抗特性。圖18是表示本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的一結構例的圖。圖19是表示本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的一結構例的圖。圖20是表示本發明的ID控制一對多無線電力傳送系統的一結構例的圖。圖21是本發明的ID控制一對一無線電力傳送系統的結構圖。附圖標記說明1 發送部天線；2 發送部可變電抗電路；3 發送部調製器；4 發送部控制電路； 5 存儲電路；6 方向性耦合器；7 發送部解調器；8 載波發生電路；9 檢波電路；10 時鐘；11 接收部天線；12 接收部可變阻抗電路；13 接收部調製器；14 接收部控制電路； 15 =ID存儲裝置；16 整流電路；17 接收部解調器；18 :二極體；19 平滑電路；21 接收部天線；22 接收部可變電抗電路；23 接收部調製器；24 接收部控制電路；25 :ID存儲裝置； 26 整流電路；27 接收部解調器；31 接收部天線；32 接收部可變電抗電路；33 接收部調製器；34 接收部控制電路；35 =ID存儲裝置；36 整流電路；37 接收部解調器；41 接收部天線；42 接收部可變電抗電路；43 接收部調製器；44 接收部控制電路；45 :ID存儲裝置； 46 整流電路；47 接收部解調器；100 發送部高頻電路；101 發送部天線；120 發送部可變電抗電路；108 載波發生電路；200 發送部高頻電路；201 發送部天線；202 發送部可變電抗電路；300 微小導體；301 發送機天線；302 接收機天線；400 微小導體；401 疏圖案；402 密圖案；403 中密度圖案；404 供電電流源；405 負荷電阻；411 發送機天線； 412 接收機天線；421 發送機天線；422 接收機天線；431 發送機天線；432 接收機天線； 441 發送機天線；442 接收機天線；501 發送機天線；502 接收機天線；511 可變電抗元件；513 頻率可變載波發生裝置；521 可變電抗元件；522 分布加裝可變電抗元件；601 發送機天線；602 接收機天線；611 可變電抗元件；612 分布加裝可變電抗元件；621 可變電抗元件；622 分布加裝可變電抗元件；701 發送機天線；702 接收機天線；711 可變電抗元件；712 分布加裝可變電抗元件；713 頻率可變載波發生裝置；721 可變電抗元件；722 分布加裝可變電抗元件
具體實施例方式為了解決上述問題，設發送部以及接收部具備天線、可變電抗元件、調製電路和解調電路，接收部具有固有的ID。使用圖11a、圖lib來說明發明的原理。圖Ila是包含發送機以及接收機的無線電力傳送系統的一結構例的圖，圖lib是表示該系統結構的等價電路的圖。如果將接收機和發送機的特性阻抗設為Ri、r，將在天線端的內部阻抗設為Rsi+jXsi， rs+jXs，則圖Ila的發送機和接收機i(i = 1,2)的電力傳遞函數成下式[式1]。
[式 1]
權利要求
1.一種無線電力傳送系統，包含一個發送機和多個接收機，其特徵在於上述發送機具備天線、發送部可變電抗電路、發送部控制電路、發送部調製器以及載波發生電路，上述接收機各自具備天線、接收部可變電抗電路、接收部解調器、接收部控制電路、整流電路以及ID存儲裝置，對上述接收機的每一個分別賦予固有的ID，上述發送機通過上述發送部控制電路控制上述發送部可變電抗電路，發送上述ID和控制命令，上述接收機的每一個接收從上述發送機發送的上述ID和上述控制命令，所接收到的 ID和存儲在上述ID存儲裝置中的接收機固有的ID —致的接收機通過上述接收部控制電路控制上述接收部可變電抗電路。
2.根據權利要求1所述的無線電力傳送系統，其特徵在於上述發送機的上述發送部可變電抗電路的控制、和單一或者多個上述接收機的接收部可變電抗電路的控制按照時間序列交替地進行。
3.根據權利要求2所述的無線電力傳送系統，其特徵在於上述發送機還具備方向性耦合器和檢波電路，並且，檢測上述載波發生電路的輸出中由上述發送機的上述天線反射而沒有輸出到上述發送機外部卻返回到上述發送機內部的電力，通過上述發送部控制電路調整上述發送部可變電抗電路，以使該返回的電力成為最小，上述接收機的每一個通過上述接收部控制電路調整上述發送部可變電抗電路，以使通過上述整流電路得到的電力成為最大。
4.根據權利要求3所述的無線電力傳送系統，其特徵在於上述發送機還具備發送部解調器和存儲電路，上述接收機的每一個還具備接收部調製器，上述接收機的每一個使用上述接收部調製器向上述發送機發送可變電抗電路的控制狀況、接收電力和預先存儲在ID存儲裝置中的固有ID，上述發送機利用上述發送部解調器讀取上述接收機的該發送內容，向存在於該存儲電路內部的接收機狀態轉移表寫入接收機ID、可變電抗電路的控制狀況和接收電力。
5.根據權利要求4所述的無線電力傳送系統，其特徵在於關於上述接收機狀態轉移表的內容，上述發送機針對每個上述接收機ID更新讀取上述接收機的該發送內容而得到的結果。
6.根據權利要求5所述的無線電力傳送系統，其特徵在於上述發送機具有最大允許輸出電力值，當發送輸出超過了該最大允許輸出電力值的情況下，對進行信息交換的單個接收機或者多個接收機的某個，一起發送該接收機的固有ID 和要求電力接收的中斷的信號，在接收到該信號的接收機中固有ID—致的接收機通過上述接收部控制電路進行電力接收的中斷動作。
7.根據權利要求6所述的無線電力傳送系統，其特徵在於從與寫入到存在於上述發送機的上述存儲電路內部的上述接收機狀態轉移表中的接收電力小的ID對應的接收機中，順序選擇中斷電力接收的接收機。
8.根據權利要求7所述的無線電力傳送系統，其特徵在於從與寫入到存在於上述發送機的上述存儲電路內部的上述接收機狀態轉移表中的可變電抗電路的控制狀況在控制過程中電力接收未達到穩定狀態的ID對應的接收機中順序選擇。
9.根據權利要求8所述的無線電力傳送系統，其特徵在於上述發送機具有以一定時間間隔對上述接收機發送控制命令的第1時隙，針對在該第1時隙寫入到上述接收機狀態轉移表中的每一個ID，順序地對上述接收機一起發送控制信號和該ID，上述接收機接收該控制信號，當包含在接收信號中的ID和自身的固有ID —致的情況下，使用上述接收部調製器向上述發送機發送可變電抗電路的控制狀況、接收電力和預先存儲在ID存儲裝置中的固有的ID。
10.根據權利要求9所述的無線電力傳送系統，其特徵在於當上述發送機的輸出電力超過了預先確定的最大允許輸出電力值的情況下，以寫入到上述接收機狀態轉移表中的接收電力小的接收機ID為優先而發送接收機控制信號。
11.根據權利要求10所述的無線電力傳送系統，其特徵在於當上述發送機的輸出電力超過了預先確定的最大允許輸出電力值的情況下，以寫入到上述接收機狀態轉移表中的可變電抗電路的控制狀況在控制過程中電力接收未達到穩定狀態的ID為優先而發送上述接收機控制信號。
12.根據權利要求11所述的無線電力傳送系統，其特徵在於當上述接收機停止電力接收、且在上述發送機接收的與特定ID的接收機相當的可變電抗電路的控制狀況和接收電力中該接收電力在多個上述第1時隙中為零的情況下，上述發送機刪除寫入到上述存儲電路內部的上述接收機狀態轉移表中的該ID以及可變電抗電路的控制狀況和接收電力。
13.根據權利要求12所述的無線電力傳送系統，其特徵在於上述發送機在上述存儲電路內部還具備接收機狀態履歷表以及時鐘，當上述發送機刪除寫入到上述存儲電路內部的上述接收機狀態轉移表中的該ID以及可變電抗電路的控制狀況和接收電力的情況下，將該內容和時刻順序地存儲到上述接收機狀態履歷表中。
14.根據權利要求13所述的無線電力傳送系統，其特徵在於上述發送機具有和上述第1時隙不同的第2時隙，上述接收機以固有的發送間隔發送自身的ID，上述發送機在上述第2時隙接收來自上述接收機的ID信號，向存在於上述存儲電路內部的上述接收機狀態轉移表中寫入該ID，將來自該接收機的具有接收機固有的發送間隔的自身ID的發送停止的信號和該ID —起發送，上述接收機接收具有固有的發送間隔的自身ID的發送停止信號，當包含在該接收信號中的ID和自身固有ID —致的情況下，停止發送具有固有的發送間隔的自身ID。
15.根據權利要求14所述的無線電力傳送系統，其特徵在於根據來自上述發送機的命令而中斷了電力接收的接收機重新以固有的發送間隔發送自身ID並再次開始電力接收的動作。
16.根據權利要求15所述的無線電力傳送系統，其特徵在於 上述第1時隙和上述第2時隙在時間軸上交替地設定。
17.根據權利要求16所述的無線電力傳送系統，其特徵在於 上述發送機包含具備頻率不同的載波發生裝置的多個發送機， 上述接收機包含具備頻率不同的載波發生裝置的多個接收機。
18.根據權利要求17所述的無線電力傳送系統，其特徵在於使用存儲在上述接收機狀態履歷表中的信息並根據供給電力進行收費。
19.一種無線電力傳送裝置，用於以下無線電力傳送系統的接收機中，該無線電力傳送系統，包含一個發送機和多個接收機，上述發送機具備天線、發送部可變電抗電路、發送部控制電路、發送部調製器以及載波發生電路，上述接收機的每一個具備天線、接收部可變電抗電路、接收部解調器、接收部控制電路、整流電路以及ID存儲裝置，對上述接收機的每一個分別賦予固有的ID，上述發送機通過上述發送部控制電路控制上述發送部可變電抗電路，發送上述ID和控制命令，上述接收機的每一個接收從上述發送機發送的上述ID和上述控制命令，接收到的ID 和存儲在上述ID存儲裝置中的接收機固有ID —致的接收機通過上述接收部控制電路控制上述接收部可變電抗電路，該無線電力傳送裝置的特徵在於具備上述天線、上述接收部可變電抗電路、上述接收部解調器、上述接收部控制電路、 上述整流電路以及上述ID存儲裝置，並且還具備調製電路，上述調製電路利用半導體開關構成，通過後向散射方式對上述發送機進行通信。
20.根據權利要求19所述的無線電力傳送裝置，其特徵在於與上述發送機以及上述接收機的電子電路的特性阻抗相比，上述發送機的上述天線自阻抗的實部以及上述接收機的上述天線自阻抗的實部分別比上述發送機的上述天線與上述接收機的上述天線之間的互阻抗的實部小。
21.根據權利要求20所述的無線電力傳送裝置，其特徵在於上述發送機以及上述接收機的上述天線在一體面之上由多個微小多邊形導體的集合形成，以相對於該一體面具有的對稱軸密度對象的方式配置該多個微小多邊形導體，設置在存在於上述發送機的上述天線和上述接收機的上述天線上的微小多邊形導體上的供電點的每一個形成連結上述發送機的上述天線和上述接收機的上述天線的最短距離並且與該對稱軸相分開地分布。
22.根據權利要求21所述的無線電力傳送裝置，其特徵在於 上述發送機以及上述接收機的上述天線在一體的平面上實現。
23.根據權利要求22所述的無線電力傳送裝置，其特徵在於形成上述發送機以及上述接收機的上述天線的多個微小多邊形導體是矩形。
24.根據權利要求22所述的無線電力傳送裝置，其特徵在於形成上述發送機以及上述接收機的上述天線的多個微小多邊形導體是三角形。
25.根據權利要求19所述的無線電力傳送裝置，其特徵在於通過上述發送機以及上述接收機的上述天線形成的天線系統的互阻抗滿足共振條件。
26.根據權利要求25所述的無線電力傳送裝置，其特徵在於 在上述接收機的上述天線的結構的一部分加裝電抗元件，該電抗元件跟蹤上述發送機以及上述接收機的上述天線的相對位置變化，使上述發送機發送的電磁波的頻率變化以維持該共振條件。
27.根據權利要求沈所述的無線電力傳送裝置，其特徵在於在上述發送機的上述天線以及上述接收機的上述天線的結構的一部分加裝可變電抗元件，上述可變電抗元件跟蹤上述發送機以及上述接收機的上述天線的相對位置變化，通過上述發送機進行控制以維持該共振條件。
28.根據權利要求27所述的無線電力傳送裝置，其特徵在於上述可變電抗元件通過改變上述發送機發送的電磁波的頻率，而通過上述發送機進行控制。
全文摘要
本發明提供一種無線電力傳送系統，進行一對多的電力傳送，由少數的發送機和具有固有ID的多個接收機組成，發送機使用該ID一併控制發送機和接收機內部的可變電抗。具體地說，以實現能夠適應性地控制電力傳送效率的一對多無線電力傳送系統為目的，設為如下結構發送機登錄由接收機發送的固有的ID，針對該每個ID向接收機要求電力接收狀態的報告，按照該報告內容一併控制發送機和接收機內部的可變電抗，動態地對系統內部的電力傳送效率進行最優化。
文檔編號H02J17/00GK102577024SQ20098016169
公開日2012年7月11日 申請日期2009年10月8日 優先權日2009年10月8日
發明者武井健 申請人:株式會社日立製作所